CN111410473B - 一种MXene/PZT水泥基压电复合材料及制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交通工程、土木工程传感器用的MXene/PZT水泥基压电复合材料及制备方法。该压电复合材料由MXene、PZT和水泥组成，通过均匀混合MXene、PZT及水泥粉体，加水后成型，然后水化、干燥，再经极化、老化后即可用于制备传感器。本发明的压电复合材料易极化，具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，是一种用于混凝土结构的传感器的制备的优异材料。

Description

一种MXene/PZT水泥基压电复合材料及制备方法与应用
技术领域
本发明属于压电材料领域，具体为一种制备交通工程、土木工程传感器的MXene/PZT水泥基压电复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的飞速发展，许多大型道路、土木工程结构得以兴建，如大跨桥梁、跨海隧道以及超高层建筑等，他们的使用年限长达百年，服役环境侵蚀、荷载的长期效应、材料老化、环境突变等因素的耦合作用将导致不同程度的结构损伤。为了保障结构的安全，需要对服役状态的混凝土结构、新建的基础设施采用有效的手段监测，进而评价其服役安全状况。
PZT（锆钛酸铅）水泥基压电复合材料的研究引起人们的广泛关注。该种复合材料将PZT粉体与水泥复合，通过调整两者的相对组分，可以得到与混凝土结构匹配的压电复合材料，可用于制作监测混凝土结构的传感器。由于该复合材料中，具有压电性能的PZT相在水泥中呈弥散分布，水泥相阻碍了压电相所产生电荷的传递，降低了PZT压电相颗粒之间的连通性，使得复合材料的压电响应低，响应信号难以检测。
MXene是一种具有良好的热力学性质、电学性能、化学与电化学性能、耐磨性能的纳米材料；与石墨烯类似，MXene拥有比表面积大，机械性能强、导电性高和极好的亲水性等优良特性。此外，手风琴结构的MXene，拥有相对较大的层间距离。在外力作用下，MXene层间距离极大可调，为研制高灵敏传感器提供了可能。不能预计，PZT、MXene、水泥复合所形成的复合材料将拥有许多结构健康监测所需的特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种MXene/PZT水泥基压电复合材料，该压电复合材料易极化，具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，是一种用于混凝土结构的传感器的制备的优异材料。
本发明的另一目的还提供该MXene/PZT水泥基压电复合材料的制备方法，该制备方法简单易操作，适于大规模推广应用。
本发明还提供了该MXene/PZT水泥基压电复合材料的应用，基于该压电复合材料具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，是一种用于混凝土结构的传感器的制备的优异材料，具有非常好的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种MXene/PZT水泥基压电复合材料，包括以下质量百分比的组分：PZT 35～80%，水泥 19.99～55%，MXene 0.01～10%。
进一步，所述MXene为≤15层厚度的二维过渡金属碳化物或金属氮化物。
进一步，所述MXene为Ti2C、Ti3C2、Ta4C3、Nb2C、(Ti0.5,Nb0.5)2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、Ti3CN、Nb2C、V2C、Mo2C、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3、Cr2TiC2、Nb4C3、Zr3C2、Hf3C2、Ti4N3中的一种。
进一步，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种或多种。
上述MXene/PZT水泥基压电复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将PZT、水泥、MXene与水混合均匀，得到混合料；
（2）将混合料压制成特定形状，在湿度100%的环境中水化1～28天，干燥即得该MXene/PZT水泥基压电复合材料。
进一步，所述步骤（1）具体为：
将PZT与水泥混合均匀，再加入MXene，在助磨剂的条件下，球磨15～50分钟后干燥得到混合粉体；然后向混合粉体中加一定量的水，混合均匀，得到混合料。
进一步，所述步骤（1）还可以为：
将MXene超声分散在水中得到MXene悬浮液；将PZT与水泥混合均匀，在助磨剂的条件下，球磨15～50分钟后干燥得到混合粉体；将混合粉体中加入MXene悬浮液，得到混合料。
进一步，所述助磨剂为无水乙醇、丙酮、乙二醇中的一种。
进一步，所述步骤（2）中加入水的重量为混合粉体重量的5～15%。
进一步，所述特定形状优选为圆片状。
所述MXene/PZT水泥基压电复合材料用于混凝土结构的传感器的制备。
进一步，所述MXene/PZT水泥基压电复合材料经极化、老化后即可用于混凝土结构的传感器的制备。具体为：干燥得到的MXene/PZT水泥基压电复合材料两面涂银电极，在2～6kV直流电压下在硅油中极化10～60分钟，极化温度为60～160℃；将极化后的圆片包覆锡箔，在40～100℃中放置8～12小时老化，老化后所得到的MXene/PZT水泥基复合材料可以用于混凝土结构的传感器的制备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明利用MXene的优良导电性，将MXene与PZT以及水泥粉体复合，增强了弥散在水泥中的PZT所产生的电子的传导性，所制备的复合材料具有良好的压电效应。该压电复合材料与被监测的混凝土主体材料有很好的界面及阻抗匹配性，是一种性能优良的传感器材料。
2、该压电复合材料的制备方法简单易操作，适于大规模推广应用。
3、基于该压电复合材料具有良好的压电响应，且与建筑材料具有良好的相容性，是一种用于混凝土结构的传感器的制备的优异材料，具有非常好的应用前景。
具体实施方式
需要说明的是，本发明MXene/PZT水泥基压电复合材料所用锆钛酸铅（PZT）粉体的制备为现有技术，在本发明中不再赘述。也就是说采用现有制备技术制备的锆钛酸铅粉体均可以用于本发明中。本发明中的PZT粉体为市售产品。
本发明提供一种MXene/PZT水泥基压电复合材料，该压电复合材料包括以下质量百分比的组分：PZT 35～80%，水泥 19.99～55%，MXene 0.01～10%。其中， MXene为≤15层厚度的二维过渡金属碳化物或金属氮化物，具体可以为Ti2C、Ti3C2、Ta4C3、Nb2C、(Ti0.5,Nb0.5)2C、(V0.5,Cr0.5)3C2、Ti3CN、Nb2C、V2C、Mo2C、Mo2TiC2、Mo2Ti2C3、Cr2TiC2、Nb4C3、Zr3C2、Hf3C2、Ti4N3中的一种。下述实施例是从上述MXene中选择对本发明作进一步详细说明，但是本发明并不局限于下述实施例，还可以从其余MXene物质中与水泥、PZT组合制备成MXene/PZT水泥基压电复合材料，用于混凝土结构的传感器的制备。
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
采用Ti3C2制备MXene/PZT水泥基压电复合材料的方法为：
（1）将35g PZT粉体与15g硅酸盐水泥干法混合均匀，加入2g Ti3C2，丙酮为助磨剂，球磨混合30分钟后，干燥去除丙酮，得混合粉体；
（2）向步骤（1）所得的混合粉体中加水，加水的重量为混合粉体重量的5%（即2.6g），均匀混合，得混合料，将混合料在50MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100%的环境中水化48小时后，干燥；
（3）干燥后，圆片两面涂银电极，在6kV直流电压下在硅油中极化30分钟，极化温度为120℃；将极化后的圆片包覆锡箔，在90℃中放置12小时老化，老化后所得到的MXene/PZT水泥基复合材料可以用于混凝土结构的传感器的制备。
极化、老化后的MXene/PZT水泥基复合材料的压电常数为143pC/N。
实施例2
采用Ti3CN制备MXene/PZT水泥基压电复合材料的方法为：
（1）将30g PZT粉体与20g普通硅酸盐水泥干法混合均匀，无水乙醇为助磨剂，球磨混合20分钟后，干燥去除无水乙醇，得混合粉体；
（2）将1g的Ti3CN加入7g的水中，超声分散10分钟，获得Ti3CN悬浮液；
（3）往步骤（1）所得混合粉体中加入步骤（2）制备的Ti3CN悬浮液，再次均匀混合，得到混合料；
（3）将混合料在80MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100%的环境中水化48小时后，干燥，即得MXene/PZT水泥基压电复合材料的；
（4）采用实施例1的方法对MXene/PZT水泥基压电复合材料进行极化、老化。
极化、老化后的MXene/PZT水泥基复合材料的压电常数为129pC/N。
实施例3
采用Nb2C制备MXene/PZT水泥基压电复合材料的方法为：
（1）将15g PZT粉体与15g硫铝酸盐水泥干法混合均匀，加入3g Nb2C，乙醇为助磨剂，球磨混合20分钟后，干燥去除乙醇，得混合粉体；
（2）向步骤（1）所得的混合粉体中加水，加水的重量为混合粉体重量的7%（即2.31g），均匀混合，得混合料，将混合料在60MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100%的环境中水化24小时后，干燥；
（3）在3kV直流电压下在硅油中极化30分钟，极化温度为120℃；将极化后的样品包覆锡箔，在80℃中放置10小时老化，老化后所得到的MXene/PZT水泥基复合材料可以用于混凝土结构的传感器的制备。
极化、老化后的MXene/PZT水泥基复合材料的压电常数为158pC/N。
实施例4
采用Hf3C2制备MXene/PZT水泥基压电复合材料的方法为：
（1）将7g PZT粉体与11g硫铝酸盐水泥干法混合均匀，加入2g Hf3C2，乙二醇为助磨剂，球磨混合15分钟后，干燥去除乙二醇，得混合粉体；
（2）向步骤（1）所得的混合粉体中加水，加水的重量为混合粉体重量的6%（即1.2g），均匀混合，得混合料，将混合料在55MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100%的环境中水化14天后，干燥；
（3）在2kV直流电压下在硅油中极化20分钟，极化温度为150℃；将极化后的样品包覆锡箔，在40℃中放置8小时老化。
极化、老化后所得到的MXene/PZT水泥基复合材料的压电常数为180pC/N。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种MXene/PZT水泥基压电复合材料，其特征在于，该压电复合材料的制备方法为：
（1）将7g PZT粉体与11g硫铝酸盐水泥干法混合均匀，加入2g Hf3C2，乙二醇为助磨剂，球磨混合15分钟后，干燥去除乙二醇，得混合粉体；
（2）向步骤（1）所得的混合粉体中加水，加水的重量为混合粉体重量的6%，均匀混合，得混合料，将混合料在55MPa压力下压制成圆片状，放入湿度100%的环境中水化14天后，干燥；
（3）在2kV直流电压下在硅油中极化20分钟，极化温度为150℃；将极化后的样品包覆锡箔，在40℃中放置8小时老化；
极化、老化后所得到的MXene/PZT水泥基复合材料的压电常数为180pC/N；
所述Hf3C2厚度≤15层。
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